Az elektromos potenciál fogalma az elektrosztatika és elektrodinamika elméletének egyik fontos alapja. Lényegének megértése szükséges feltétele a fizika ezen ágainak további tanulmányozásának.
Tartalom
Mi az elektromos potenciál
Legyen egy q egységnyi töltés a Q rögzített töltés által létrehozott mezőbe, amelyre hatással van Coulomb-erő F=k*Qq/r.
Itt és alatta k=((1/4)*π* ε* ε), ahol ε0 — elektromos állandó (8,85*10-12 F/m), míg ε az közepes dielektromos állandó.
Hozzájárult díj ennek az erőnek a hatására el tud mozogni, és az erő bizonyos mennyiségű munkát végez. Ez azt jelenti, hogy egy két töltésből álló rendszernek van egy potenciális energiája, amely mindkét töltés nagyságától és a köztük lévő távolságtól függ, és ennek a potenciális energiának a nagysága nem függ a q töltés nagyságától. Itt kerül bevezetésre az elektromos potenciál meghatározása - ez egyenlő a mező potenciális energiájának és a töltés nagyságának arányával:
φ=W/q,
ahol W a töltésrendszer által létrehozott mező potenciális energiája, a potenciál pedig a mezőre jellemző energia. Ahhoz, hogy egy q töltést elektromos térben bizonyos távolságra elmozdíthassunk, bizonyos mennyiségű munkát kell fordítani a Coulomb-erők leküzdésére. Egy pont potenciálja egyenlő azzal a munkával, amelyet el kell költeni, hogy egy egységnyi töltést ebből a pontból a végtelenbe mozgassunk. Ennek során meg kell jegyezni, hogy:
- ez a munka egyenlő lesz a töltés potenciális energiájának csökkenésével (A=W2-W1);
- a munka nem függ a töltés pályájától.
Az SI-rendszerben a potenciál mértékegysége egy volt (az orosz irodalomban V betűvel, a külföldi irodalomban V betűvel jelölik). 1 V \u003d 1J / 1 C, vagyis akkor beszélhetünk egy 1 voltos pont potenciáljáról, ha 1 C-os töltés végtelenbe mozgatásához 1 Joule szükséges. A nevet Alessandro Volta olasz fizikus tiszteletére választották, aki jelentősen hozzájárult az elektrotechnika fejlődéséhez.
A potenciál megjelenítéséhez összehasonlítható két test hőmérsékletével vagy a tér különböző pontjain mért hőmérséklettel. A hőmérséklet a tárgyak felmelegedésének mértéke, a potenciál pedig az elektromos töltés mértéke. Azt mondják, hogy az egyik test jobban felmelegszik, mint a másik, azt is lehet mondani, hogy az egyik test jobban, a másik kevésbé töltődik. Ezek a testek különböző potenciállal rendelkeznek.
A potenciál értéke a koordinátarendszer megválasztásától függ, ezért kell valamilyen szint, amit nullának kell venni. A hőmérséklet mérésekor például az olvadó jég hőmérsékletét vehetjük alapul.A potenciálnál általában egy végtelenül távoli pont potenciálját veszik nulla szintnek, de néhány probléma megoldásához például a földpotenciál vagy az egyik kondenzátorlemez potenciálja nullának tekinthető.
Potenciális tulajdonságok
A potenciál fontos tulajdonságai közül a következőket kell megjegyezni:
- ha a mezőt több töltés hozza létre, akkor a potenciál egy adott pontban egyenlő lesz az egyes töltések által létrehozott potenciálok algebrai (a töltés előjelét figyelembe véve) összegével φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+φn;
- ha a töltések távolsága olyan, hogy maguk a töltések ponttöltésnek tekinthetők, akkor a teljes potenciált a φ=k*(q) képlettel számítjuk1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qn/rn), ahol r a megfelelő töltés, majd a figyelembe vett pont távolsága.
Ha a mezőt elektromos dipólus alkotja (két egymással ellentétes előjelű töltés), akkor a potenciál a dipólustól r távolságra lévő bármely pontban egyenlő lesz φ=k*p*cosά/r2, ahol:
- p a dipólus elektromos karja, egyenlő q*l-lel, ahol l a töltések közötti távolság;
- r a dipólus távolsága;
- ά a dipóluskar és az r sugárvektor közötti szög.
Ha a pont a dipólus tengelyén fekszik, akkor cosά=1 és φ=k*p/r2.
Lehetséges különbség
Ha két pontnak van egy bizonyos potenciálja, és ha nem egyenlőek, akkor azt mondják, hogy a két pont között potenciálkülönbség van. A potenciálkülönbség a következő pontok között lép fel:
- amelynek potenciálját különböző előjelű töltések határozzák meg;
- egy tetszőleges előjelű töltésből származó potenciállal és egy nulla potenciállal rendelkező pont;
- pontok, amelyek azonos előjelű potenciállal rendelkeznek, de abszolút értékükben különböznek egymástól.
Vagyis a potenciálkülönbség nem függ a koordinátarendszer megválasztásától.Hasonló analógia vonható le a nulla ponthoz (például a tengerszinthez) képest különböző magasságban elhelyezkedő vízmedencékkel.
Minden medence vizének van egy bizonyos potenciális energiája, de ha két medencét összekötünk egy csővel, akkor mindegyikben lesz vízáramlás, amelynek áramlási sebességét nem csak a cső mérete határozza meg. , hanem a Föld gravitációs mezejében lévő potenciális energiák különbsége (vagyis a magasságkülönbség) által is. A potenciális energiák abszolút értéke ebben az esetben nem számít.
Ugyanígy, ha két különböző potenciállal rendelkező pontot összekötsz egy vezetővel, akkor az folyni fog elektromosság, amelyet nemcsak a vezető ellenállása, hanem a potenciálkülönbség is meghatároz (de nem az abszolút értékük). Folytatva a vízzel való analógiát, elmondhatjuk, hogy a felső medencében hamar elfogy a víz, és ha nincs olyan erő, ami visszamozdítaná a vizet (például egy szivattyú), akkor az áramlás nagyon gyorsan leáll.
Így van ez egy elektromos áramkörben is - a potenciálkülönbség egy bizonyos szinten tartásához olyan erőre van szükség, amely a töltéseket (pontosabban töltéshordozókat) a legmagasabb potenciállal rendelkező pontba továbbítja. Ezt az erőt elektromotoros erőnek nevezik, rövidítése pedig EMF. Az EMF eltérő természetű lehet - elektrokémiai, elektromágneses stb.
A gyakorlatban elsősorban a töltéshordozók pályájának kezdeti és végpontja közötti potenciálkülönbség számít. Ebben az esetben ezt a különbséget feszültségnek nevezzük, és SI-ben is voltban mérjük.1 voltos feszültségről beszélhetünk, ha a mező 1 Joule-os munkát végez, amikor 1 Coulomb-os töltést visz át egyik pontból a másikba, azaz 1V \u003d 1J / 1C, és J / C is lehet lehetséges különbség.
Potenciális felületek
Ha több pont potenciálja azonos, és ezek a pontok felületet alkotnak, akkor egy ilyen felületet ekvipotenciálnak nevezünk. Egy ilyen tulajdonságnak van például egy elektromos töltés körül körülírt gömbje, mivel az elektromos tér minden irányban egyformán csökken a távolsággal.
Ennek a felületnek minden pontja azonos potenciális energiával rendelkezik, így ha egy töltést egy ilyen gömb felett mozgatnak, nem kell munkát fordítani. A több töltésű rendszerek ekvipotenciális felületei bonyolultabb alakúak, de van egy érdekes tulajdonságuk - soha nem metszik egymást. Az elektromos tér erővonalai mindig merőlegesek minden pontjukban azonos potenciállal rendelkező felületekre. Ha az ekvipotenciálfelületet egy sík metszi, akkor egyenlő potenciálú vonalat kapunk. Tulajdonságai megegyeznek az ekvipotenciális felülettel. A gyakorlatban például az elektrosztatikus térbe helyezett vezető felületének pontjai azonos potenciállal rendelkeznek.
Miután foglalkozott a potenciál és a potenciálkülönbség fogalmával, folytathatja az elektromos jelenségek további tanulmányozását. De nem korábban, mert az alapelvek és fogalmak megértése nélkül nem lehet elmélyíteni a tudást.
Hasonló cikkek:
